자기 적응 전해질의 전기화학적 안정성 창의 동적 확장. 크레딧: Zhao et al.

[뉴스에프엔 김맹근 기자] 메릴랜드 대학 연구팀이 충전 중 배터리의 전기화학적 안정성 창을 동적으로 확장할 수 있는 새로운 전해질을 개발했다. Nature Energy에 발표된 이번 연구는 고속 충전과 높은 에너지 밀도를 동시에 달성할 수 있는 고에너지 배터리 개발 가능성을 제시한다.

논문의 제1저자인 Chang-Xin Zhao는 “고속 충전 시 전극 전위가 전해질의 안정성 창을 초과하면 원치 않는 부반응이 발생할 수 있다”며 “전해질이 충전 과정에 적응해 안정성 창을 실시간으로 확장하면 이러한 한계를 극복할 수 있다”고 설명했다.

연구팀은 ‘염분 효과’에서 영감을 얻어 삼항 구성(두 개의 용매와 소금) 전해질을 설계했다. 충전 과정에서 전해질 내 농도 구배가 생성되면 상 분리가 촉진되어 안정성 창이 확장된다. 또한 전해질을 흐림점 근처에 위치시켜 충전 중 농도 변화에 민감하게 반응하도록 설계했다.

이 자체 적응형 전해질은 수성 아연 금속과 비수성 리튬 금속 배터리 모두에서 테스트되었으며, 뛰어난 쿨롱 효율과 향상된 안정성을 확인했다. Zhao는 “기존 전해질 개발은 분자 수준에서 구조를 조정하는 데 집중했지만, 이번 연구는 전체 전해질 시스템이 동적 조건에서 작동하는 방식을 활용해 배터리 작동 중 적응이 가능함을 보여준다”고 말했다.

연구진은 앞으로 이 전략을 다른 유형의 전해질 설계와 다양한 배터리 시스템에 적용하고, operando 특성화와 파우치 셀 검증을 통해 실용적 충전 프로토콜 개발로 이어갈 계획이다.

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